现场总线技术在智能脱扣器数据通信上的应用
引言
近年来，智能脱扣器技术在国内有了较快的发展。智能脱扣器的成功应用，使得断路器的功能更加强大。目前，国内外研究生产的智能脱扣器能显示开关状态、三相电流、电压、功率因数、有功功率等参数。而控制器局域网(can) 能有效支持具有高安全级的分布式实时控制，凭借其在噪声环境中的可靠性及其故障状态检测，以及从故障状态恢复的能力，被广泛应用于工业控制等领域。因此，国内外大都将比较成熟的can 现场总线技术应用在智能脱扣器的通信方面，实现上下位机的“四遥”功能，即遥测、遥控、遥信和遥调。上位机can 主要对下位机采集到的信号进行监控、调度和管理。上位机作为一个特殊的can 节点，其设计相对复杂。本文将重点介绍上位机can 智能节点硬件和软件的设计方案，以及如何把mcgs 与can 总线结合起来使用，即mcgs 如何操作can 总线接口卡。
1 设计原理 电网信号经过下位机采集，a/d 转换和数据算法程序处理传到上位机后，要能够显示到上位机上，这样才能实现工作人员对各个断路器工作状态的监控，并且通过上位机界面能够实现对下位机发送参数命令，实现对下位机的调控。该功能是依靠上位机这个特殊的can 节点实现的。
上位机can 节点设计的总体结构如图1 所示。在can 总线网络中，arm 节点作为下位机来工作，它们采集现场的数据，采集上来的数据需要传到上位pc 机上进行进一步处理，通过监控软件监控下位机节点的工作状态。上位pc 机作为can 总线上一个比较特殊的节点，其设计相对复杂。上位机和下位机智能节点通信是以usbcan卡为桥梁的，即利用can 卡的opc 接口驱动软件，解决can 总线与pc 之间的通信问题。通过调用can 卡的动态连接库(. dll)，利用自定义can 应用层协议实现与can 总线应用系统的连接;通过opc 服务器连接的函数接口，调用动态连接库来实现与监控软件的连接。因此，上位机设计主要是利用usbcan 驱动程序，调用usbcan接口卡所提供的动态链接库，达到操作usbcan接口卡的目的，利用can 卡的opc 接口驱动软件，来实现数据管理人机界面设计。
图1 软件结构示意图.
2 can 总线上位机节点的设计 2. 1 硬件电路设计 一般说来，计算机本身不带can 接口，因此直接使用计算机和can 网络是不能互连的。但是，许多工业用计算机在某些应用场合还是离不开can-bus，因此，就需要现有的计算机通信接口与can-bus 接口适配，于是can 接口卡就给计算机增加can-bus 接口功能。通俗意义上说，can通信适配卡加上计算机就组成一个特殊的can节点。本设计采用usbcan-2a 型can 卡，主机通过usb 接口控制电路来访问can 控制器，最终完成数据通信。计算机作为can 节点，接收来自下位机arm 节点采集的数据，将一些控制参数发送给下位机，并通过组态界面实现对下位机的监控等功能。
usbcan-2a 智能can 接口卡是与usb1. 1总线兼容的，带有2 路can 接口的智能型can数据卡，符合can2. 0b 规范，兼容can2. 0a，符合iso/is 11898，其通信波特率可以通过编程任意设置，范围在5 ～ 1 000 kb /s 之间。组成该can 卡的控制器是常用的philips sja1000，收发器为philips pca82c250。usbcan-2a 接口卡上自带电气隔离模块，使usbcan-2a 接口卡避免由于地环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。
usbcan-2a 卡提供了很多库函数，pc 机通过对usbcan-2a 接口库函数的操作，实现对usbcan-2a 接口卡的操作。上位机主要实现对can 卡的初始化和对can 的读写操作。
为了增强can 通信的可靠性，can 总线网络的2 个端点通常要加入终端匹配电阻，终端匹配电阻的值由传输电缆的特性阻抗所决定。由于双绞线的特性阻抗为120 ω，因此can-bus 网络采用直线拓扑结构时，总线的2 个终端需要安装120 ω 的终端电阻。can-bus 总线的连接如图2所示。
图2 can-bus 总线连接图.
usbcan-2a 接口卡内部没有集成120 ω 终端电阻，当usbcan-2a 接口卡位于can-bus 网络的一个端点上时，需要在外部端子上安装120 ω终端电阻，连接方法如图3 所示。
图3 usbcan-2a 位于网络终端时的连接方法.
2. 2 软件部分设计 上位机的软件设计可以通过调用can 卡的动态连接库(. dll)，利用自定义can 应用层协议实现与can 总线应用系统的连接，usbcan-2a 智能can 接口卡支持win9x /me、win2000 /xp 等操作系统，也支持linux2. 4、linux2. 6 版版本的操作系统。usbcan-2a 提供了统一的应用程序编程接口，便于用户进行应用程序开发。支持vc、vb、delphi 和c + + builder 等开发。本设计采用mcgs 组态软件实现对智能can 卡的操作控制。一般来说，mcgs 访问接口卡都是通过mcgs 系统中已有的相应设备构件来进行的，这些设备构件主要由mcgs 开发商预先开发，但也可由最终用户根据mcgs 技术规范自行开发。对于usb-2a 型智能can 接口卡，mcgs 系统没有提供可以直接调用的相应设备构件。要成功地使mcgs 能访问usb-2a 型接口卡，通常的办法是由开发商或用户自己开发usb-2a 型的设备构件，但这将花费大量的时间，且有一定的难度。为解决这一问题，我们采用了opc 服务器技术。
mcgs 支持opc 协议，它可以用作opc 客户端与opc 服务器接*换数据;同时usbcan-2a 型can 接口卡也可以被opc 服务器所支持，用作opc 服务器的数据来源和数据接收体，由opc 服务器自动与其交换数据。能采用的opc服务器有很多种，周立功公司开发的zopc_server就是一款很好opc 服务器软件，它支持zlgcan 系列接口卡和mcgs 组态软件。mcgs、zopc_server 与usbcan-2a 型有机协调工作，就完全能很好地解决mcgs 与usbcan-2a 之间的接口问题，使用户程序能有效地访问can 总线网络。它们之间的关系示意图如图4 所示。
图4 mcgs、zopc － server 和usb-2a 关系示意图.
本设计通过zopc_server 服务器，与can 网络进行数据通信。zopc_server 是一个opc 服务器软件，只要在一台pc 机上插上usbcan-2a 接口卡，再运行本服务器软件，并在服务器软件中进行一些相关配置以后，就可以使用任何一种支持opc 协议的客户端软件(比如组态软件:组态王、mcgs 和intouch 等)来连接到该服务器。
在服务器中，对于每个can 设备的每路can，都固定有2 个通道，分别为in_candata 和out_candata。对于输入通道in_candata，服务器把从can 网络接收到的数据存放到此数据项中，客户端只能读取它的数据;而对于输出通道out_candata，客户端把要发送的数据写入到此数据项中，服务器再把此数据项中的数据提取出来发送到can 网络，客户端不能读取此数据项的数据。它们的存储格式都为字符串形式。2 个数据项in_candata 和out _candata，其长度都为30 byte，前14 byte 为帧信息，后16 byte 为can数据。
本设计使用的监控软件为mcgs 组态软件，通过对组态软件的简单设置，将zopc_server 添加到mcgs 组态软件中去，就可以在组态软件中使用服务器中的数据了。zopc_server 的输入通道in_candata 接收到的can 数据是字符串形式的，而且接收的数据根据通信协议最后16 byte 的数据为采集的电网信号大小，通过mcgs 组态软件中的系统函数，编写脚本函数，首先将数据进行解包处理，截取后16 byte 的数据，然后将这16 byte的十六进制字符串形式的数据，转换为十进制数据，并将这个数据放到一个定义的变量里。
对can 网络发送数据时，用户程序需把具体的帧信息和要发送的数据按out_candata 的格式组合成一个字符串，用户程序对于接收到的数据(in_candata 格式)也需进行拆分，识别出帧信息和接收到的有用数据供程序使用。
2. 3 组态界面的设计 组态界面的设计主要包括了主界面的设计、数据显示界面的设计等，其中主界面包括实时的电网信号值的显示，报警信号的显示界面，报警上、下限修改输入窗口和下位机电网参数修改窗口。
2. 3. 1 主开机界面设计 实时电网信号值显示画面框如图5 所示。通过该窗口，操作人员可以很容易看到电网信号的当前数据值。
图5 实时电网信号值显示画面框.
本设计的智能脱扣器可以适用于不同的断路器中，而不同的应用场合需要的脱扣参数是不同的，这就要求能够随时修改下位机的脱口参数，来实现对下位机的调控，图6 为修改脱扣器脱扣参数窗口。
主界面中，通过设计报警信号显示画面，可以观察在何时出现怎样的故障报警，随时供操作人员修改高、低报警值限。当电压、电流信号出现故障时，指示灯能给出故障指示。在对数据对象进行报警定义时，已经选择报警产生时“自动保存产生的报警信息”，可以使用“报警信息浏览”构件，浏览数据库中保存下来的报警信息。
图6 修改脱扣器脱扣参数窗口.
通过主界面的设计，能够方便地读出实时电网信号值。通过电网参数修改窗口，能够方便地控制arm 下位机节点发出脱扣信号的值。通过报警修改输入窗口，则可以方便操作者随时修改报警上、下限值。
2. 3. 2 数据显示界面设计 数据显示窗口包括了实时数据和历史数据的报表值显示，实时曲线、历史曲线的显示，方便工作人员对数据的监控。
实时数据报表值显示窗口如图7 所示。实时报表是对瞬时量的反映，用于将当前时间的数据变量按一定报告格式( 用户组态) 显示和打印出来。实时报表可以通过mcgs 系统的自由表格构件来组态显示实时数据报表。
图7 实时数据报表值显示窗口.
历史数据报表值显示窗口如图8 所示。历史报表用于从历史数据库中提取数据记录，并以一定的格式显示历史数据。
图8 历史数据报表值显示窗口.
实时曲线窗口是用曲线显示电网数据对象数值的动画图形，像笔绘记录仪一样实时记录数据对象值的变化情况。实时曲线窗口如图9 所示，显示了实时的a 相电压和电流值。
图9 实时曲线窗口.
本设计还包括了历史曲线的设计，能方便操作人员对历史曲线进行查询。
通过组态界面的设计，工作人员还能随时查询报警数据、历史数据等，并可以方便地将这些数据导入excel 表中进行打印。
3 结语 将usbcan-2a 型can 接口卡应用在智能断路器can 通信设计上，很好地实现了计算机和can 网络互连，就能将上位机看作一个can 智能节点，接收来自下位机can 节点采集的电网信号，同时能够发送脱扣参数给下位机。而mcgs系统本身的一些局限性，用在通信方面不多，但通过合理的设计方案和编写用户程序，可以很好地用在can 总线工业现场监控网上，实现组态对can 接口卡的操作。组态界面的设计，使得操作人员对电网信号的监控更方便。
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1 设计原理 电网信号经过下位机采集，a/d 转换和数据算法程序处理传到上位机后，要能够显示到上位机上，这样才能实现工作人员对各个断路器工作状态的监控，并且通过上位机界面能够实现对下位机发送参数命令，实现对下位机的调控。该功能是依靠上位机这个特殊的can 节点实现的。
上位机can 节点设计的总体结构如图1 所示。在can 总线网络中，arm 节点作为下位机来工作，它们采集现场的数据，采集上来的数据需要传到上位pc 机上进行进一步处理，通过监控软件监控下位机节点的工作状态。上位pc 机作为can 总线上一个比较特殊的节点，其设计相对复杂。上位机和下位机智能节点通信是以usbcan卡为桥梁的，即利用can 卡的opc 接口驱动软件，解决can 总线与pc 之间的通信问题。通过调用can 卡的动态连接库(. dll)，利用自定义can 应用层协议实现与can 总线应用系统的连接;通过opc 服务器连接的函数接口，调用动态连接库来实现与监控软件的连接。因此，上位机设计主要是利用usbcan 驱动程序，调用usbcan接口卡所提供的动态链接库，达到操作usbcan接口卡的目的，利用can 卡的opc 接口驱动软件，来实现数据管理人机界面设计。
图1 软件结构示意图.
2 can 总线上位机节点的设计 2. 1 硬件电路设计 一般说来，计算机本身不带can 接口，因此直接使用计算机和can 网络是不能互连的。但是，许多工业用计算机在某些应用场合还是离不开can-bus，因此，就需要现有的计算机通信接口与can-bus 接口适配，于是can 接口卡就给计算机增加can-bus 接口功能。通俗意义上说，can通信适配卡加上计算机就组成一个特殊的can节点。本设计采用usbcan-2a 型can 卡，主机通过usb 接口控制电路来访问can 控制器，最终完成数据通信。计算机作为can 节点，接收来自下位机arm 节点采集的数据，将一些控制参数发送给下位机，并通过组态界面实现对下位机的监控等功能。
usbcan-2a 智能can 接口卡是与usb1. 1总线兼容的，带有2 路can 接口的智能型can数据卡，符合can2. 0b 规范，兼容can2. 0a，符合iso/is 11898，其通信波特率可以通过编程任意设置，范围在5 ～ 1 000 kb /s 之间。组成该can 卡的控制器是常用的philips sja1000，收发器为philips pca82c250。usbcan-2a 接口卡上自带电气隔离模块，使usbcan-2a 接口卡避免由于地环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。
usbcan-2a 卡提供了很多库函数，pc 机通过对usbcan-2a 接口库函数的操作，实现对usbcan-2a 接口卡的操作。上位机主要实现对can 卡的初始化和对can 的读写操作。
为了增强can 通信的可靠性，can 总线网络的2 个端点通常要加入终端匹配电阻，终端匹配电阻的值由传输电缆的特性阻抗所决定。由于双绞线的特性阻抗为120 ω，因此can-bus 网络采用直线拓扑结构时，总线的2 个终端需要安装120 ω 的终端电阻。can-bus 总线的连接如图2所示。
图2 can-bus 总线连接图.
usbcan-2a 接口卡内部没有集成120 ω 终端电阻，当usbcan-2a 接口卡位于can-bus 网络的一个端点上时，需要在外部端子上安装120 ω终端电阻，连接方法如图3 所示。
图3 usbcan-2a 位于网络终端时的连接方法.
2. 2 软件部分设计 上位机的软件设计可以通过调用can 卡的动态连接库(. dll)，利用自定义can 应用层协议实现与can 总线应用系统的连接，usbcan-2a 智能can 接口卡支持win9x /me、win2000 /xp 等操作系统，也支持linux2. 4、linux2. 6 版版本的操作系统。usbcan-2a 提供了统一的应用程序编程接口，便于用户进行应用程序开发。支持vc、vb、delphi 和c + + builder 等开发。本设计采用mcgs 组态软件实现对智能can 卡的操作控制。一般来说，mcgs 访问接口卡都是通过mcgs 系统中已有的相应设备构件来进行的，这些设备构件主要由mcgs 开发商预先开发，但也可由最终用户根据mcgs 技术规范自行开发。对于usb-2a 型智能can 接口卡，mcgs 系统没有提供可以直接调用的相应设备构件。要成功地使mcgs 能访问usb-2a 型接口卡，通常的办法是由开发商或用户自己开发usb-2a 型的设备构件，但这将花费大量的时间，且有一定的难度。为解决这一问题，我们采用了opc 服务器技术。
mcgs 支持opc 协议，它可以用作opc 客户端与opc 服务器接*换数据;同时usbcan-2a 型can 接口卡也可以被opc 服务器所支持，用作opc 服务器的数据来源和数据接收体，由opc 服务器自动与其交换数据。能采用的opc服务器有很多种，周立功公司开发的zopc_server就是一款很好opc 服务器软件，它支持zlgcan 系列接口卡和mcgs 组态软件。mcgs、zopc_server 与usbcan-2a 型有机协调工作，就完全能很好地解决mcgs 与usbcan-2a 之间的接口问题，使用户程序能有效地访问can 总线网络。它们之间的关系示意图如图4 所示。
图4 mcgs、zopc － server 和usb-2a 关系示意图.
本设计通过zopc_server 服务器，与can 网络进行数据通信。zopc_server 是一个opc 服务器软件，只要在一台pc 机上插上usbcan-2a 接口卡，再运行本服务器软件，并在服务器软件中进行一些相关配置以后，就可以使用任何一种支持opc 协议的客户端软件(比如组态软件:组态王、mcgs 和intouch 等)来连接到该服务器。
在服务器中，对于每个can 设备的每路can，都固定有2 个通道，分别为in_candata 和out_candata。对于输入通道in_candata，服务器把从can 网络接收到的数据存放到此数据项中，客户端只能读取它的数据;而对于输出通道out_candata，客户端把要发送的数据写入到此数据项中，服务器再把此数据项中的数据提取出来发送到can 网络，客户端不能读取此数据项的数据。它们的存储格式都为字符串形式。2 个数据项in_candata 和out _candata，其长度都为30 byte，前14 byte 为帧信息，后16 byte 为can数据。
本设计使用的监控软件为mcgs 组态软件，通过对组态软件的简单设置，将zopc_server 添加到mcgs 组态软件中去，就可以在组态软件中使用服务器中的数据了。zopc_server 的输入通道in_candata 接收到的can 数据是字符串形式的，而且接收的数据根据通信协议最后16 byte 的数据为采集的电网信号大小，通过mcgs 组态软件中的系统函数，编写脚本函数，首先将数据进行解包处理，截取后16 byte 的数据，然后将这16 byte的十六进制字符串形式的数据，转换为十进制数据，并将这个数据放到一个定义的变量里。
对can 网络发送数据时，用户程序需把具体的帧信息和要发送的数据按out_candata 的格式组合成一个字符串，用户程序对于接收到的数据(in_candata 格式)也需进行拆分，识别出帧信息和接收到的有用数据供程序使用。
2. 3 组态界面的设计 组态界面的设计主要包括了主界面的设计、数据显示界面的设计等，其中主界面包括实时的电网信号值的显示，报警信号的显示界面，报警上、下限修改输入窗口和下位机电网参数修改窗口。
2. 3. 1 主开机界面设计 实时电网信号值显示画面框如图5 所示。通过该窗口，操作人员可以很容易看到电网信号的当前数据值。
图5 实时电网信号值显示画面框.
本设计的智能脱扣器可以适用于不同的断路器中，而不同的应用场合需要的脱扣参数是不同的，这就要求能够随时修改下位机的脱口参数，来实现对下位机的调控，图6 为修改脱扣器脱扣参数窗口。
主界面中，通过设计报警信号显示画面，可以观察在何时出现怎样的故障报警，随时供操作人员修改高、低报警值限。当电压、电流信号出现故障时，指示灯能给出故障指示。在对数据对象进行报警定义时，已经选择报警产生时“自动保存产生的报警信息”，可以使用“报警信息浏览”构件，浏览数据库中保存下来的报警信息。
图6 修改脱扣器脱扣参数窗口.
通过主界面的设计，能够方便地读出实时电网信号值。通过电网参数修改窗口，能够方便地控制arm 下位机节点发出脱扣信号的值。通过报警修改输入窗口，则可以方便操作者随时修改报警上、下限值。
2. 3. 2 数据显示界面设计 数据显示窗口包括了实时数据和历史数据的报表值显示，实时曲线、历史曲线的显示，方便工作人员对数据的监控。
实时数据报表值显示窗口如图7 所示。实时报表是对瞬时量的反映，用于将当前时间的数据变量按一定报告格式( 用户组态) 显示和打印出来。实时报表可以通过mcgs 系统的自由表格构件来组态显示实时数据报表。
图7 实时数据报表值显示窗口.
历史数据报表值显示窗口如图8 所示。历史报表用于从历史数据库中提取数据记录，并以一定的格式显示历史数据。
图8 历史数据报表值显示窗口.
实时曲线窗口是用曲线显示电网数据对象数值的动画图形，像笔绘记录仪一样实时记录数据对象值的变化情况。实时曲线窗口如图9 所示，显示了实时的a 相电压和电流值。
图9 实时曲线窗口.
本设计还包括了历史曲线的设计，能方便操作人员对历史曲线进行查询。
通过组态界面的设计，工作人员还能随时查询报警数据、历史数据等，并可以方便地将这些数据导入excel 表中进行打印。
3 结语 将usbcan-2a 型can 接口卡应用在智能断路器can 通信设计上，很好地实现了计算机和can 网络互连，就能将上位机看作一个can 智能节点，接收来自下位机can 节点采集的电网信号，同时能够发送脱扣参数给下位机。而mcgs系统本身的一些局限性，用在通信方面不多，但通过合理的设计方案和编写用户程序，可以很好地用在can 总线工业现场监控网上，实现组态对can 接口卡的操作。组态界面的设计，使得操作人员对电网信号的监控更方便。
AM系列微机保护装置在35kV供配电系统中的应用分析
EG网关网口连接组态王使用教程
服务机器人公司如何选择
混合信号电路板应该如何设计有哪些准则
模拟电路网络课件 第八节:半导体BJT
现场总线技术在智能脱扣器数据通信上的应用
区块链可以保护物联网设备免受网络攻击
水质毒性生物监测仪可以检测什么
那么充电桩在哪里起作用呢
关于薄膜瑕疵在线检测系统特点的介绍
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PCB常见的五种蚀刻方式
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日本跟随美国打压我国芯片产业，华为一口气要求日本30家企业支付专利使用费！
海缆逐渐进入更换期，未来5年全球海缆市场需求迎来爆发期
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